探索宇宙空间的未解之迷——黑洞

探索宇宙空间的未解之迷黑洞2、论文内容 论文中要体现出下列四个方面的内容1 ）、简要说明你所选择的对象属于哪类天体 ( 5分)2 ）、目前观测研究的现状、热点或未解之迷 ( 50分) 3 ）、探测与研究的意义 ( 40分)4 ）、学习现代天文学后的感悟 （5分）学院：不动产学院班级：11城规二班姓名：胡奕楷学号：1104030053一、黑洞1、黑洞的定义 黑洞是一个空间时间区域，它的最外围是光所能从黑洞向外到达的最远距离，这个边界称为“事件视界”。它如同一个单向的膜，只允许物质穿过视界并落到黑洞里去，但没有任何物质能够从里面出来。2、黑洞的形成当大质量天体演化末期，其坍缩核心的质量超过太阳质量的3.2倍时，由于没有能够对抗引力的斥力，核心坍塌将无限进行下去，从而形成黑洞。（核心小于1.4个太阳质量的，会变成白矮星；介于两者之间的，形成中子星）。爱因斯坦的广义相对论预测有黑洞解。其中最简单的球对称解为史瓦西度规。这是由卡尔史瓦西于1915年发现的爱因斯坦方程的解。根据史瓦西解，如果一个引力天体的半径小于一个特定值，天体将会发生坍塌，这个半径就叫做史瓦西半径。在这个半径以下的天体，其中的时空严重弯曲，从而使其发射的所有射线，无论是来自什么方向的，都将被吸引入这个天体的中心。因为相对论指出在任何惯性座标中，物质的速率都不可能超越真空中的光速，在史瓦西半径以下的天体的任何物质，都将塌陷于中心部分。一个有理论上无限密度组成的点组成引力奇点（gravitational singularity）。由于在史瓦西半径内连光线都不能逃出黑洞，所以一个典型的黑洞确实是绝对“黑”的。史瓦西半径由下面式子给出：Rs=2GM/c2G是万有引力常数，M是天体的质量，c是光速。对于一个与地球质量相等的天体，其史瓦西半径仅有9毫米。3、黑洞的分类（1）按质量分：超巨质量黑洞：可以在所有已知星系中心发现其踪迹。质量据说是太阳的数百万至十数亿倍。小质量黑洞：质量为太阳质量的10至20倍，即超新星爆炸以后所留下的核心质量是太阳的3至15倍就会形成黑洞。 理论预测，当质量为太阳的40倍以上，可不经超新星爆炸过程而形成黑洞。 中型黑洞：推论是由小质量黑洞合并形成，最后则变成超巨质量黑洞。中型黑洞是否真实存在仍然存疑。（2）根据物理特性分：根据黑洞本身的物理特性（质量、电荷、角动量）来划分，有四种，分别是不旋转不带电荷的黑洞；不旋转带电黑洞，称R-N黑洞；旋转不带电黑洞，称克尔黑洞；一般黑洞，称克尔-纽曼黑洞。（3）原初黑洞:原初黑洞是理论预言的一类黑洞，尚无直接证据支持原初黑洞的存在。宇宙大爆炸初期，宇宙早期膨胀之前，某些区域密度非常大，以至于宇宙膨胀后这些区域的密度仍然大到可以形成黑洞，这类黑洞叫做原初黑洞。原初黑洞的质量与密度不均匀处的尺度有关，因此原初黑洞的质量可以小于恒星坍塌生成的黑洞，根据霍金的理论，黑洞质量越小，蒸发越快。质量非常小的原初黑洞可能已经蒸发或即将蒸发，而恒星坍塌形成的黑洞的蒸发时标一般长于宇宙时间。 二、黑洞的现状、热点或未解之迷黑洞，是一个从爱因斯坦建立广义相对论以后最重要的物理理论结果，也是现在唯一一个可以统一相对论和量子理论，同时又可以使人类在对物理极至理论的探索道路上继续迈进的一种星体。广义相对论预言的一种特别致密的暗天体。大质量恒星在其演化末期发生塌缩，其物质特别致密，它有一个称为“视界”的封闭边界，黑洞中隐匿着巨大的引力场,因引力场特别强以至于包括光子在内的任何物质只能进去而无法逃脱。形成黑洞的星核质量下限约3倍太阳质量，当然，这是最后的星核质量，而不是恒星在主序时期的质量。除了这种恒星级黑洞，也有其他来源的黑洞所谓微型黑洞可能形成于宇宙早期，而所谓超大质量黑洞可能存在于星系中央。与别的天体相比，黑洞十分特殊。人们无法直接观察到它，物理学家也只能对它内部结构提出各种猜想。而使得黑洞把自己隐藏起来的的原因即是弯曲的空间。根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但相对而言它已弯曲。在经过大密度的天体时，空间会弯曲。光也就偏离了原来的方向。在地球上，由于引力场作用很小，空间的弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。 在黑洞热性质的研究取得很大进展的同时，许多粒子物理学家表示对霍金辐射有保留意见。理由是，纯粹的热辐射几乎带不出任何信息。如果黑洞真的辐射到最后，全部转化为热，则形成黑洞的那些物质带进去的信息将从宇宙中彻底消失。这不仅会破坏轻子数守恒、重子数守恒等许多重要的物理定律，而且信息不守恒将使正在创建的量子引力理论不满足么正性，这将给已经取得辉煌成就的量子场论带来重大危机。对于黑洞造成的信息佯谬其实可以从两方面看。一方面，物理学中有能量守恒、动量守恒、电荷守恒等许多守恒定律，但没有“信息守恒定律”。相反，如果信息论中把信息看作“负熵”的观点正确，而且信息熵与热力学熵确实有相同的本质，那么信息原则上应该不守恒。这是因为热力学第二定律的灵魂就在于“熵增加”，在于指出自然过程的不可逆性。既然熵不守恒，信息当然不会守恒。黑洞的热辐射有可能偏离黑体谱，黑洞蒸发的最后也有可能留下部分炉渣。总之，真实的黑洞过程不会保证信息守恒，但也可能会有部分信息从黑洞中泄出来或残留到最后。但除了质量、 电荷和旋转不同之外，所有黑洞都是难以区分的。质量、电荷和旋速度相同的两个黑洞在其他方面都一模一样： 无论恒星、星尘还是外星人的太空飞船，物体落入黑洞后其原有性质都不会留下丝毫痕迹。这令科学家们奇怪，黑洞是如何处理所有这些信息的? 因为量子力学告诉我们，信息总是被保存的。即使在爆炸之后，你也能从剩下的残骸中分析出最初的物质。但涉及黑洞时情况就不同了。这个难题的一种奇异解释是，信息泄漏到其他宇宙去了。这种理论是，当一颗恒星的核坍缩形成黑洞，它并不是缩成质点，而是产生一个新的不断扩张的时空领域，其实就是另一个宇宙。如果是这样，我们所在的宇宙可能是另一个先于我们存在的宇宙的某个黑洞所产生的。甚至可能存在一群宇宙，即多元宇宙，彼此通过黑洞相联接。物质信息难题的另 一种可能解答基于黑洞并不是完全黑暗的这一事实，它们会向空间发出放射物。黑洞吞噬信息可能以某种形式通过这种“霍金射 线”反映出来这种理论是英国物理学家斯蒂芬霍金提出的，他通过计算证实了黑洞是逐渐缩小的。根据量子力学，粒子和它们的反粒子不断从真空中产生，然后在转瞬间又归于虚无。这个过程先是从真空“借取”能量，随后又如数归还。但是一对粒子和反粒子出 现在黑洞的事件视界上时，一个粒子可能落入黑洞，而另一个逃逸出来。因此黑洞等于“丢失”了相当于逃逸粒子质量的那部分能量。黑洞内部的奇点是时间终结的地方，白洞内部的奇点则是时间开始的地方。大爆炸宇宙的奇点，也是时间开始的地方，而大坍缩宇宙的奇点则是时间终结的地方。广义相对论指出，进入黑洞的任何物质都将在有限的时间内穿越单向膜区到达奇点。这就是说，落入黑洞的物质在经历有限时间之后，就到达了时间的“终点” 或者说，它们的时间将在有限的经历中结束。也可以说，经过有限的时间，它们就处在时间之外了。至于“时间之外”是什么意思，今天的自然科学还不能回答。 三、探测与研究黑洞的意义黑洞是理论物理中各种极限状态的典型代表，其探测与研究，具有三大意义：第一，理论物理的大统一理论（解释宇宙万物的终极理论）；自然界中，有四种基本的作用力，它们分别是万有引力，电磁相互作用力，弱相互作用力和强相互作用力。大统一理论就是四种基本的作用力在理论上的统一，理论上的统一意味着四种基本的作用力拥有统一的起源，这就要追溯到宇宙之初，来寻求力的起源。有理论认为，在宇宙大爆炸10-35秒，宇宙同一场分化出四种基本的作用力。这一观念推动人们不断地寻求大统一理论，尽管道路艰难。在统一的道路上，做的最成功的是麦克斯韦的电和磁两种相互作用的统一，以及电磁力和弱相互作用力的统一，这是由温伯格和萨拉姆在格拉肖早期工作的基础上完成的。电磁力和弱相互作用力被统一成一种力，即电弱力，而电磁力和弱相互作用力则被看做一种力的不同表现形式。时至今日，人们仍在寻求引力，电弱力和强相互作用力的统一，最但终都不成功。假如在宇宙之初，最先生成的应是引力，而不是四种基本作用力的统一体，这样会更有利于四种基本作用力的统一。我们设想，引力是最先生成的力，跟据对称性原则，与之同时生成的还有反引力，引力和反引力是相互矛盾统一的，它们在宇宙中是相等的。紧接着，随着时间的推移，宇宙中的引力和反引力的对称性开始被破坏，由反引力分化出电磁相互作用力，弱相互作用力和强相互作用力。三种基本的相互作用力都是反引力性质的力，它们是反引力的三种不同表达形式。这一点很像电磁力和弱相互作用力的统一，二者是电弱力的不同表现形式。由引力和反引力的统一，我们得到了宇宙基本作用力的统一，可以说我们找到了力的起源。第二，哲学宗教意义；第三，现实意义，研究基本粒子，衍生各种民用产品，比如能源类、讯息类还有未来的星际旅行等。科学家们提出设想，既然宇宙中有黑洞，那么一定存在“白洞”。黑洞可以用强大的吸力把任何物体都吸进去，而白洞可以把这些东西都吐出来。科学家们设想，黑洞与白洞是连在一起的，黑洞把物质吸进去，物质在里面会经过一个叫做奇异点的东西，然后物质就到达了白洞的“管辖范围”，会被白洞“吐”出来。然后物质就到达了另一个宇宙（第一平行宇宙到达第二平行宇宙）。但是，如果白洞存在，所有的物体将会以极快的速度离开。如果一个黑洞正在旋转，那么它就可以打开一个通道，这个连接着黑洞和白洞的通道，称之为虫洞。如果你跌进一个虫洞中你就有可能飞速地从黑洞中进入然后从另一端的白洞中飞出。经过这样的旅途后你将停留在宇宙中的某个角落，或许将来，和另一个宇宙在一起。四、学习现代天文学后的感悟在学习现代天文学后，这门学科让我学习到了很多东西，知道了我们的母星地球的基本概括，地球在宇宙算是一个奇迹，我们要保护自己唯一的生存地。知道了我们太阳系的恒星太阳，太阳是地球的能量之源，地球的各种能源，几乎都是直接或者间接地来自太阳。太阳的变化，使得我们地球变暖，可以变冷。知道了恒星的终点有三种，恒星到了末期